JP2892853B2 - ポリカルボシランからの結晶質炭化珪素繊維の製造 - Google Patents

ポリカルボシランからの結晶質炭化珪素繊維の製造

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JP2892853B2
JP2892853B2 JP3069541A JP6954191A JP2892853B2 JP 2892853 B2 JP2892853 B2 JP 2892853B2 JP 3069541 A JP3069541 A JP 3069541A JP 6954191 A JP6954191 A JP 6954191A JP 2892853 B2 JP2892853 B2 JP 2892853B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、ポリカルボシラン樹脂に由来す
る、熱的に安定な、実質的に多結晶質炭化珪素セラミッ
ク繊維の製造に関する。これらの繊維の予期されない熱
安定性は、セラミック化の前又は硼素の導入により達成
される。
【0002】炭化珪素セラミック繊維は、従来技術で、
高温でのそれらの機械的強さについて公知である。それ
自体で、それらは高い性能の複合材料を製造するため
に、プラスチック、セラミック、または金属マトリック
スのための強化材の如き実用性の広い整列、あるいは高
温絶縁材、ベルト材料、ガスケット、およびカーテンの
如き、繊維生成物の形成を、見つけた。
【0003】いくつかの方法が、上記繊維を製造するた
めに開発された。例えば、オルガノシリコンポリマーは
繊維に紡糸され、溶融を防ぐために不融化され(硬化さ
れ)、および高温でセラミック化されてよいことが、公
知である。不幸なことに、この方法はしばしば、ポリマ
ー中への導入、または紡糸、不融化、もしくはセラミッ
ク化の際の導入により、実質的な量の酸素もしくは窒素
を繊維中に導入する。これらの繊維は1400℃より上
の温度に加熱されるとき、酸素および窒素が、重量損
失、多孔性、および減少した引張強さを起して、失われ
る。
【0004】最近、Si−C骨格を有する、ポリカルボ
シランプリセラミックポリマーが、窒素および酸素の導
入を最少化するために利用された。Yajimaらは、
米国特許第4,052,430号および第4,100,
233号において、例えば、種々のポリカルボシラン
を、紡糸すること、不融化させること、および熱分解す
ることによる、炭化珪素繊維の製造方法を教示する。N
ippon Carbon Co.,はさらに、この技
術を、商標名NICALONtmのSiCセラミック繊維
を製造するのに利用する。これらの繊維もまた、しか
し、約9−15%の酸素を含み、従って1200℃の低
い温度で崩壊することが公知である(参照、Mahら、
J.Mat.Sci.19,1191−1201(19
84))。
【0005】ポリカルボシランへの他の元素の添加はま
た、SiCに基づくボディーの機械的強さを改良するた
めの手段として提案された。例えば、Yajimaら
は、米国特許第4,359,559号において、ポリカ
ルボシランを、有機金属化合物を含むチタンもしくはジ
ルコニウムと混合することによる、ポリメタロカルボシ
ランの製造を開示する。同様に、Yajimaらは、米
国特許第4,347,347号において、ポリカルボシ
ラン部分、および金属元素がチタンもしくはジルコニウ
ムであるポリメタロシロキサン部分からなる、有機金属
ブロックコポリマーの形成を教示する。Yajimaら
は、米国特許第4,342,712号において、また、
ポリカルボシランおよびチタノキサン(titanox
ane)のブロックコポリマーからの、チタン、シリコ
ン、および炭素−含有セラミック繊維の形成を教示す
る。
【0006】Yajimaらは、米国特許第4,24
8,814号および第4,283,376号において、
また、ポリカルボシランおよび15重量%までのボロシ
ロキサンを焼結させることによる、セラミック中への硼
素の導入を教示する。参照が800〜2000℃の熱分
解温度を開示するという事実にもかかわらず、中の例
は、発明者らがここで極限圧縮に必要と発見した温度よ
りずっと下の、1300℃までの温度を教示するのみで
ある。さらに、これらの参照はまた、セラミック繊維の
形成を教示はしない。
【0007】Yajimaらは、米国特許第4,22
0,600号において、また、4重量%までのボロシロ
キサンポリマーを含む、ポリカルボシランを紡糸するこ
と、硬化させること、および熱分解することによる、S
i−C−O含有繊維の製造を教示する。これは、0.2
重量%未満の硼素をセラミック繊維中に供給する。さら
に、1800℃までの熱分解温度が開示されるが、どの
実施例も1300℃より上の熱分解温度を利用せず、好
ましい熱分解温度範囲は1000〜1500℃であるこ
とが教示される。
【0008】これらの元素の導入は、しかし、しばしば
種々の問題を伴う。例えば、高い温度および圧力が、導
入するのにしばしば必要である。生成ポリマーの収率は
しばしば低い。その上に、増加する量の酸素がポリマー
中に存在するように、中間酸素が結合するが、元素はし
ばしばシリコンに結合する。さらに、そのように製造さ
れた炭化珪素に基づく繊維は、典型的に非常に微細な結
晶質粒子からなり;繊維を1300℃以上の温度に加熱
すると、繊維の機械的強さを減少させる、粒の成長を起
す。
【0009】Takamizawaらは、米国特許第
4,604,367号において、オルガノポリシランを
オルガノボラジン(organoborazine)化
合物と混合すること、繊維を紡糸すること、ならびに次
に900〜1800℃の範囲内の温度に加熱することに
より、繊維をセラミック化することによる、オルガノボ
ロシリコン(organoborosilicon)ポ
リマーの製造を教示する。しかし、この参照の実施例は
1300℃までの加熱を示すのみであり、繊維の引張強
さは、1500℃より上に加熱されたとき、劇的に低下
することが報告される(注意、参照のカバー上のグラ
フ)。
【0010】Takamizawaらは、米国特許第
4,657,991号において、硼素、アルミニウム、
チタン、もしくはジルコニウムを含む有機金属化合物と
共重合されてよい、ポリカルボシランおよびシルメチレ
ン(silmethylene)ポリマーを含む組成物
を用いることによる、SiC繊維の形成を教示する。上
記組成物の紡糸後、繊維は、800〜1500℃で熱分
解される。発明者らはその中で、1500℃より上の温
度での熱分解は、粒径成長により生成繊維の機械的強さ
を低下させることを、教示する。
【0011】加えて、実質的に結晶質炭化珪素セラミッ
ク繊維の製造に関連する下記の出願が、出願された。メ
チルポリジシリラザンの用途に関連する、Deleeu
wらの米国出願第07/447,841号、ポリオルガ
ノシロキサンの用途に関連する、Atwellらの米国
出願第07/449,709号、およびメチルポリシラ
ンの用途に関連する、Deleeuwらの米国出願第0
7/456,832号。
【0012】本発明者らは、熱的に安定な、実質的に多
結晶質SiC繊維が、プリセラミックポリマーの不融化
又は焼成中に約0.2%を越える硼素の導入、および前
記繊維を約1600℃以上に燃焼させることで、ポリカ
ルボシランから形成され得ることを、予期せず発見し
た。
【0013】本発明は、熱的に安定な、実質的に多結晶
質炭化珪素繊維の製造方法に関する。この方法は、ポリ
カルボシラン樹脂を含むプリセラミックポリマーから、
繊維を形成する。繊維は、少なくとも約0.2重量パー
セントの硼素がその中に導入されることとなるような方
法で、次に不融化および/または熱分解される。かよう
に処理した繊維は、約1600℃を越える温度で、非酸
化環境中で次に熱分解される。
【0014】本発明は、ポリカルボシラン繊維が、少な
くとも約0.2重量%の硼素が不融化又は焼成中に導入
され、約1600℃を越える温度で焼成されると、高温
でその強さを保持する、実質的に多結晶質繊維を形成す
る、という発見に基づく。これらの繊維は、少なくとも
75%の結晶度、少なくとも約2.9gm/ccの密度、な
らびに非常に低い残留酸素および/または窒素含有率を
有する。
【0015】本発明者らは、酸素および窒素の両者が約
1400℃より上の温度で繊維から除去されることを発
見したが、これが繊維の初期の弱まりを起すと考えられ
る。しかし、硼素が繊維中に導入され、前記繊維が約1
600℃より上で熱分解されると、繊維は緻密化して、
繊維の多孔度を低下させおよび繊維を強くすると考えら
れる。
【0016】硼素は、本発明の繊維中に、少なくとも1
つの不融化工程もしくは熱分解のための初期の加熱期間
の際のいずれかに、導入されてよい。上記繊維の所望の
特性を達成するために必要な硼素の量は、少なくとも約
0.2重量パーセントであり、少なくとも約0.6重量
%がより好ましい。さらに、繊維中の硼素は繊維中に実
質的に一様に分布することが、所望である。導入の各々
の方法は、より詳細に以下に議論される。
【0017】本発明の実施で用いられるプリセラミック
ポリマーは、Si−C骨格を含む、ポリカルボシラン樹
脂である。適当なポリマーは、例えば、Yajimaら
により、米国特許第4,052,430号および第4,
100,233号に記載される。好ましいポリカルボシ
ランは反復(−SiHCH3 −CH2 −)単位を含み、
Nippon Carbon Co.から商業的に購入
され得る。
【0018】本発明で有用な上記ポリマーは一般に室温
で固体であり、小さな直径の繊維にすぐに紡糸され得、
ポリマーが熱分解の際繊維の形で残り、炭素対シリコン
比が1対1をわずかに越える、セラミック組成を生じさ
せることとなるように、不融性にされ得る。より好まし
くは、これらの固体ポリマーは約100℃未満の軟化点
を有し、よって通常の繊維紡糸技術で容易に押出可能に
してもよい。
【0019】代りに、液体ポリカルボシランが、繊維を
紡糸するのに利用されてよい。しかし、繊維がこの方法
で紡糸されるとき、一般にそれらは、紡糸装置を出た後
すぐに、急速な硬化により固化させる。
【0020】ポリカルボシランは、どんな通常の紡糸技
術によってでも、繊維に形成されてよい。例えば、溶融
紡糸、乾燥紡糸、または湿潤紡糸のような上記技術が、
本発明の実施ですべて用いられてよい。
【0021】本方法で形成された紡糸繊維は、一般に次
に約100μm未満の直径まで伸ばされる。より好まし
くは、前記繊維は、約10〜50μmの直径に引かれ
る。このサイズの繊維は一般により大きな繊維より柔軟
であり、従って、複合材料のための強化マトリックスに
よりすみやかに織られ得る。
【0022】上記形成繊維は、次に、熱分解の際溶融を
防ぐために不融化される。もしまったく硼素がこのプロ
セスの際導入されないならば、繊維は、例えば、それら
を約50〜約200℃の範囲の温度に空気中で単に加熱
することにより、不融化されてよい。代りに、前記繊維
は、ガンマ照射、紫外線、または酸化窒素の如き酸化剤
にさらすことにより、不融化されてよい。
【0023】好ましくは、しかし、硼素は、前記不融化
工程の際、硼素含有気体にさらすことにより、繊維中に
導入される。これは、約25〜約200℃間、およびポ
リマーの軟化点より下の比較的低い温度で達成されてよ
い。より高い温度の使用は不融化の速度を高めるが、こ
のプロセスの際、ポリマーの軟化点を越えると、繊維の
結合性を破壊する。しかし、硬化が進むとポリカルボシ
ランの軟化温度は高くなるので、ポリマーが硬化すると
ともに、硬化温度が上げられてもよいことがわかった。
繊維を硬化させるのに必要なさらす時間は、硬化用気
体、利用されるポリマー、繊維の直径、および硬化雰囲
気中の硼素の濃度に依存して変化する。
【0024】本発明の1つの具体例において、紡糸繊維
は、約50〜約200℃の温度で、繊維の表面からコア
を通って拡散し、中に硼素を析出させるジボラン含有気
体にさらされる。アルゴンの如き不活性気体中に稀釈さ
れた約0.01〜約1.0容量%のジボラン濃度が、所
望の濃度の硼素を導入しながら繊維を不融化させる雰囲
気を提供することがわかった。上記雰囲気にさらすの
は、繊維中に実質的に一様に硼素を拡散させて少なくと
も約0.2重量%の濃度レベルを与えるために十分な時
間であるべきである。
【0025】本発明の第2の具体例において、紡糸繊維
は、三弗化硼素、三臭化硼素、もしくは三塩化硼素の如
き硼素含有気体に、その後アンモニアの如きアミンに、
順次にさらすことにより不融化される。好ましくは、硼
素含有気体およびアミン気体の両者は、アルゴンもしく
は窒素の如き不活性気体中で稀釈される。硼素含有気体
は約10〜約30容量%の範囲内の濃度で硬化雰囲気中
に好ましくは存在し、アミンは約1〜約15容量%の範
囲内で好ましくは存在する。繊維は一般に、これらの環
境に、約25〜約200℃の範囲の温度で、約4〜約2
4時間さらされる。
【0026】本発明の第3の具体例において、紡糸繊維
は、酸化窒素を含む雰囲気にさらすことにより、次いで
三塩化硼素もしくはジボランを含む雰囲気にさらすこと
により、硬化されてよい。アルゴンの如き不活性気体中
で稀釈された、約1〜約10容量%の範囲内の酸化窒素
濃度が、さきに示した濃度の三塩化硼素もしくはジボラ
ンのいずれかに、次いで連続的にさらすとき、有用であ
ることがわかった。(酸化窒素硬化プロセスは、そのす
べてがここに導入される、米国特許第4,847,02
7号に一般に記載される。) 繊維は一般に、これらの環
境に、約25〜約200℃の範囲内の温度で、約4〜約
24時間さらされる。
【0027】不融化後、繊維は、約1600℃を越える
温度に、好ましくは1700〜2000℃、特に約18
00〜1850℃の温度で、非酸化環境中で、加熱する
ことにより熱分解される。酸素および窒素の両者が、約
1400℃より上の温度で繊維から除去されることがわ
かったが、これが繊維の初期の弱まりを起す原因である
と考えられる。しかし、約1600℃以上の温度に達す
ると、繊維は緻密化し、多孔度を減少させ、繊維を強く
すると考えられる。約2000℃以上の温度は、炭化珪
素セラミックの所望でない粒径成長があり、繊維の強さ
に逆影響を与えるので、好ましくない。
【0028】繊維が特定の最高温度に保たれる時間は、
繊維の酸素および/または窒素含有率を約0.5重量%
より下に低下させるのに十分であるべきである。例え
ば、もし繊維が約1800℃に加熱されるならば、温度
は約1時間維持されるべきであることがわかった。
【0029】もし硼素が繊維中に熱分解の際導入される
のであるならば、それは本方法の初期の段階に起きてよ
い。例えば、熱分解およびセラミック化が始まる温度ま
で繊維が加熱される時間の間に、ジボランの如き硼素含
有気体にさらすことにより硼素を導入してよい。
【0030】典型的に、熱分解は約400℃で著しく始
まり、それでポリマーが約400℃より上の温度に付さ
れるとき、硼素の導入はますます困難になる。従って、
もし硼素が不融化工程後に導入されるならば、繊維を硼
素含有気体で、約400℃より下の温度で、所望の量の
硼素含有気体が繊維中に拡散するのに十分な時間、処理
することが好ましい。
【0031】熱分解の早い段階で導入されることができ
る硼素含有気体は、例えば、ジボラン、またはテトラボ
ランもしくはペンタボランの如き種々の他の硼化水素、
ボラジン、および/またはトリクロルボラジンを含む。
これらの化合物は一般に低濃度で利用され、前に記述の
ような不活性気体中で稀釈される。繊維は一般に、これ
らの雰囲気に、約50〜約500℃の範囲内の温度で、
約1〜約24時間さらされる。この時間後、熱分解はさ
きに記述のように進む。
【0032】上記の方法に加えて、硼素は、1つを越え
る上記工程の際においても、また少なくとも約0.2重
量%の硼素を有する繊維を製造するどんな他の方法でで
も、導入することができる。
【0033】本発明の方法から生じるセラミック繊維は
少なくとも75%の結晶度を有し、SiCの理論密度の
約90〜95%を表す、少なくとも約2.9gm/ccの密
度を有する。繊維はまた、滑らかな表面構造、および
0.5μm未満、典型的に0.2μm未満の粒径を有す
る。実際は、元々中に存在した、または中に導入した、
すべての酸素および/または窒素は、繊維から高温熱分
解工程により除去される。約0.5%未満、好ましくは
約0.2重量%未満の酸素および/または窒素が残る。
【0034】
【実施例】下記の非限定実施例は、当業者がよりすみや
かに本発明を理解するように、含まれる。
【0035】下記の実施例で利用するポリカルボシラン
は、Nippon CarbonCo.から得た。それ
をヘキサン中に溶解させ、0.2ミクロン濾過器を通し
て濾過し、および紡糸の前に乾燥した。アルゴン、窒
素、およびアンモニアは、Scott Special
ty Gasesから得た。三塩化硼素はMathes
on Gasから得た。すべての焼成を、Grafoi
tm(Union Carbide)から製造したトレ
ー上で実施した。Grafoiltmを、使用前に、12
00℃まで2時間アルゴン中で焼成させた。
【0036】硬化を、出口末端油バブラー(bubbl
er)を有する、1インチ内径の管状Pyrextmまた
は石英反応器(硬化室)に、3個の気体/真空入口を有
するマニホールド(混合室)連結して実施した。気体流
れを流量計により測定した。Teflontm管を、気体
を混合室に移すのに用いた。熱分解を、Lindber
g2インチまたは4インチ内径管状炉中で、アルゴン下
で、周囲温度から1200℃まで1℃/分の標準昇温速
度で、実施した。
【0037】高温熱分解実験を、アルゴン下で、2イン
チAstroグラファイト管炉中で実施した。高温熱分
解実験を、1800℃でアルゴン下で1時間実施した
が、常に燃え切り(burn−out)を先に行なっ
た。
【0038】すべての繊維試験を、Instron 1
122機で実施した。元素分析をCEC 240−XA
元素分析器で実施し、酸素分析をLECO分析器で実施
した。走査電子鏡微鏡観察を、Joel T300で1
5kev 加速電圧で実施した。
【0039】例1 ポリカルボシラン樹脂のサンプルを、約280〜約32
0℃で、オリフィス直径0.01インチを有する自社製
単フィラメント装置で溶融紡糸し、それから押出した。
【0040】形成繊維を、BCl3 およびアンモニアを
用いる遂次処理により不融化させた。初期の段階の間、
繊維を25〜140℃に4時間を越えて加熱して、アル
ゴン中に稀釈されたBCl3 (容量比0.15のBCl
3 :0.35のAr) で処理した。生成繊維を周囲温度
まで冷却し、次にさらにアルゴン中に稀釈したアンモニ
ア(アンモニア対アルゴンの容量比0.15:1.0)
で15時間処理した。不融化繊維を、1200℃でアル
ゴン下で1℃/分の速度で熱分解した。製造した黒色繊
維は、容易に分離でき、平均引張強さ215±49Ksi
(150±34kg/mm2)、弾性率25.0±3.1Msi
(17.5±2.2Mg/mm2)、および直径7.7±0.
5μmを有した。
【0041】不融化繊維を次にさらに、アルゴン雰囲気
中で1800℃で1時間熱分解して、十分に緻密化した
分離できる黒色繊維を製造した。セラミック繊維は、平
均引張強さ236±72Ksi(165±50kg/mm2)、弾
性率32.0±2.4Msi(22.4±1.7Mg/mm2)、
直径6.8±0.2μm、および約2.8〜約2.94
g/ccの範囲内の密度を有した。微結晶サイズは、約5
00〜約600Åであった。(同様な条件下で1000
Åより大きい微結晶を製造するNicalontmに比較
して)わかるように、繊維の機械的強さは1800℃で
の熱分解により逆影響を受けることはなかった。
【0042】比較のために、Nicalon繊維を、1
800℃で上記と同じ条件下で熱分解した。生成繊維は
結晶化し、それらの物理的結合性(integrit
y)をかろうじて保持した。繊維は試験して弱かった。
【0043】例2 ポリカルボシラン樹脂のサンプルを、例1と同じ方法で
溶融紡糸した。形成繊維を、NOおよびジボランによる
遂次処理により不融化した。初期段階の間、繊維を25
〜200℃に24時間を越えて加熱して、アルゴン中に
稀釈したNO(容量比0.1のNO:2.0のAr) で
処理した。これらの繊維を次にlindberg炉に移
し、180℃でジボラン処理に付した。不融化繊維を、
180〜1200℃でアルゴン下で1℃/分の速度で熱
分解した。製造した黒色繊維は分離でき、平均引張強さ
247±47Ksi(173±33kg/mm2)、弾性率27.
7±1.3Msi(19.4±0.9Mg/mm2)、および直径
7.4±0.2μmを有した。
【0044】不融化繊維を次にさらに、アルゴン雰囲気
中で1800℃で1時間熱分解して、黒色繊維を製造し
た。セラミック繊維は、平均引張強さ164±47Ksi
(115±33kg/mm2)、弾性率25.7±1.3Msi
(18.0±0.9Mg/mm2)、および直径6.9±0.
0μmを有した。
【0045】比較のために、Nicalon繊維を、1
800℃で上記と同じ条件下で熱分解した。生成繊維は
結晶化し、それらの物理的結合性をかろうじて保持し
た。繊維は試験して弱かった。
【0046】例3 ポリカルボシラン樹脂のサンプルを、例1と同じ方法で
溶融紡糸した。形成繊維を、NOおよびBCl3 による
連続処理により不融化させた。初期段階の間、繊維を2
5〜200℃に24時間を越えて加熱して、アルゴン中
で稀釈したNO(容量比0.1のNO:2.0のAr)
で処理した。これらの繊維を室温まで冷却し、次に、2
5〜140℃に4時間を越えて加熱して、アルゴン中に
稀釈したBCl3 (容量比0.15のBCl3 :0.3
5のAr) で処理した。不融化繊維を、180〜120
0℃でアルゴン下で1℃/分の速度で熱分解した。製造
した黒色繊維は分離でき平均引張強さ271±63Ksi
(190±44kg/mm2)、弾性率25.9±1.9Msi
(18.1±1.3Mg/mm2)、および直径8.8±0.
3μmを有した。
【0047】不融化繊維を次にさらに、アルゴン雰囲気
中で1800℃で1時間熱分解して、黒色繊維を製造し
た。セラミック繊維は、平均引張強さ243±19Ksi
(170±13kg/mm2)、弾性率39.1±1.6Msi
(27.4±1.1Mg/mm2)、および直径7.8±0.
2μmを有した。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール ピューユアン ル アメリカ合衆国,カリフォルニア,ハシ ェンダ ハイツ,イースト ラフ ドラ イブ 16801 (56)参考文献 特開 昭53−81727(JP,A) 特開 平2−243567(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) D01F 9/08,9/10

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ポリカルボシラン樹脂を含むプリセラミ
    ックポリマーから繊維を形成し、 前記繊維を不融化させ、そして少なくとも0.2重量%
    の硼素を前記不融化もしくは熱分解の際導入し、かつ、
    前記繊維を1600℃を越える温度で非酸化性環境中で
    熱分解することを特徴とする、熱的に安定な、実質的に
    多結晶質炭化珪素繊維の製造方法。
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